摘要
固态继电器是没有活动部件的开关，可通过 MCU 等外部器件提供的信号控制负载。高压系统（例如电动汽车中的高压电池）需要使用固态继电器，以便通过低压信号控制高压负载。这些类型的应用通常需要隔离，防止两个电源域由于高电势差而形成不必要的接地环路，并确保在危险电流下对用户提供保护。
有许多方法可用来实现固态继电器的隔离。过去几年，光电隔离或光学隔离技术在工业中得到了广泛应用。与光电隔离相比，新型电容隔离和电感隔离技术更具优势。这些优势包括可靠性更高，以及能够跨隔离势垒快速发送和接收信号，从而可提供诊断信息，向系统发送有关过流或过热等意外故障的通知。本应用手册探讨了不同类型的固态继电器及其内部拓扑。
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1 引言
固态继电器是一个电子开关，在控制端子上施加外部电压时打开或关闭。固态继电器的典型应用与机电继电器相同；但主要区别在于，固态继电器没有活动部件，并具有可靠性优势。固态继电器的常见示例包括光学继电器或光电继电器，或者具有电容式或电感式隔离的隔离式开关和隔离式开关驱动器。
2 什么是固态继电器？
2.1 历史记录
2.1.1 机电继电器
机电继电器于 19 世纪中叶发明。这些器件将线圈与可移动的金属触点结合使用来充当电动开关。这些器件会因为金属触点出现磨损而发生故障，例如焊死在一起。因此，在完全失效之前器件能够进行的开关周期数有限，从而限制了其总体可靠性。
图 2-1 机电继电器的方框图2.1.2 固态继电器
开发固态继电器是为了克服传统继电器的这些故障和限制，其中光电继电器作为固态继电器的早期设计之一，逐渐成为这类技术中主要的设计方案。光电继电器在器件内集成了 MOSFET，从而可提高可靠性。因此，光电继电器可实现更多的开关周期数，但由于内部 LED 会随着时间的推移而老化，光电继电器会以不同的方式发生故障。
目前已开发出更新的替代方法来进一步提高固态继电器的可靠性。为了解决光电继电器中存在的问题，开发了电容式和电感式隔离技术，从而可提供强大的可靠性和高性能。请参阅 节 2.2 以了解详情。
隔离式开关是具有集成 MOSFET 的单芯片设计；另外，隔离式开关驱动器是用于驱动外部 MOSFET 阵列的控制信号和电源的芯片。这两种设计都利用电容隔离和电感隔离技术来形成固态继电器
图 2-2 固态继电器的方框图2.2 隔离技术
2.2.1 隔离规格
固态继电器在器件的初级侧和次级侧之间通常有一个隔离势垒，该隔离势垒可以使用各种绝缘材料实现。请参阅 表 2-1 以了解详情。
| 隔离类型 | 绝缘材料 | 电介质强度 (1s) | 工作温度 |
|---|---|---|---|
| 光学隔离 | 环氧树脂或聚酰亚胺 |
约 20VRMS/µm 约 300VRMS/µm |
-40°C - 85°C |
| 电感隔离 | 层压板或聚酰亚胺 | 约 300VRMS/µm | -40°C - 125°C |
| 电容隔离 | 二氧化硅 | 约 500VRMS/µm | -40°C - 125°C |
要详细了解光学隔离、电容隔离和电感隔离的内部拓扑，请参阅利用可靠且性价比高的隔离技术应对高压设计挑战。
2.3 继电器演变
过去，机电继电器和光电继电器需要外部电阻器来控制电流，并需要外部 MOSFET 通过线圈或 LED 来驱动负载。隔离式开关和驱动器整合了基于晶体管的输入（如 TTL 或 CMOS 逻辑），从而不再需要外部电阻器和 MOSFET。因此，与其他隔离技术相比，隔离式开关或驱动器可降低总体 BOM。
图 2-3 展示了机电继电器、光电继电器和隔离式开关或驱动器（从左到右）。
图 2-3 继电器演变方框图3 故障机制
所有固态继电器和机电继电器都可能会出现故障。这些故障的主要区别在于故障机制，每种器件的故障机制可能有所不同。本节介绍了机电、光和电容/电感技术中的故障机制。
3.1 机电继电器中的电弧
当机电继电器从闭合状态切换到断开状态时，金属触点最初会在两种状态之间摆动。在与电感负载结合时，金属触点会出现电弧现象，在这个过程中，电子流过金属触点之间的间隙。经过多次循环后，金属触点可能会焊接闭合，从而导致器件故障。这种故障机制限制了器件的开关周期，从而降低了总体可靠性。
图 3-1 机电继电器中的电弧方框图3.2 光电继电器中的光降解
光电继电器可能会因为内部复杂的 LED 而出现故障。具体而言，LED 会受到光衰减的影响，对于光电继电器来说，这意味着极端条件下（如过热或过流），LED 的光输出能力会降低。因此，光电继电器中的 LED 没有足够的光度来驱动栅极电压，从而限制了器件的开关功能。
图 3-2 光学继电器 LED 故障方框图3.3 局部放电
固态继电器中使用的绝缘材料存在缺陷，这些缺陷称为内部空洞。这些缺陷会导致出现局部电离，即在施加高额定电压时，原子由于失去电子或得到电子而产生负电荷或正电荷的过程。因而会降低绝缘材料的介电强度，从而降低器件的隔离等级。此过程称为局部放电 (PD)，适用于大多数固态继电器。
图 3-3 内部空洞方框图3.4 电容隔离和电感隔离中的时间依赖型电介质击穿
与光电继电器类似，电容隔离和电感隔离技术也会受到局部放电的影响。因此，这种现象可以量化为时间依赖型电介质击穿 (TDDB)，这是验证任何电介质寿命的标准测试方法。可以收集器件上的时间依赖型电介质击穿 (TDDB) 性能数据来表征预期故障率。
例如，下面是 TPSI3050-Q1 的绝缘寿命预测数据。通过收集在各种高压等级下的击穿数据，下图显示了失效时间与 VRMS 之间的关系。
图 3-4 TPSI3050-Q1 绝缘寿命预测数据4 机电、光电与电容或电感等类型继电器之间的比较
所有固态继电器都具有相同的特性，即没有活动部件，从而可实现高开关速度和大量开关周期。然而，由于实现隔离的方法有很多，因此每种器件都有不同的限制。
